ch2数据链路层与局域网组网原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,刘颖,jerolnet,TCP/IP协议分析,第二章 数据链路层与局域网组网原理,数据链路层的主要功能,局域网与介质访问控制,以太网,基于以太网的局域网组网方法,计算机网络：,OSI,参考模型,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,知识回顾：,计算机网络：协 议,网络协议是构成当代计算机网络系统的核心元素,网络协议是运行在网络设备上的计算机软件，它们协同工作以完成特定的任务，例如数据传输、信道访问、路由学习、名字,/,地址映射、远程过程调用，等等。,计算机网络：协议的例子,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,RPC、DNS、FTP、Telnet、HTTP,XDR、HTML/XML、MPEG/JPEG,NetBIOS,TCP、UDP、SSL/TLP,IP、ICMP、IPSec,IEEE 802.x、PPP,RS232、EDI、PCI,数据链路层：本 质,数据链路层是一组通讯协议，用来实现数据从一个,物理接口,到连接在同一,物理信道,上的另一个,物理接口,的通讯。,物理接口的例子：,NIC,物理信道的例子：,UTP,非屏蔽双绞线,、光纤、大气层和红外场（无线通信）,物理接口的标识（,MAC,地址）,帧的,传输,位差错的检测与恢复,位传输速率的控制,介质访问控制功能（,MAC,）,2.1,数据链路层的主要功能,协同局域网上所有计算机发送帧的行为，有效利用共享信道。,2.1,位差错的检测与恢复,在数据链路层传送的帧中，广泛使用了,循环冗余检验,CRC,的检错技术。,假设待传送的数据,M,= 1010001101,（共,k,bit,）。我们在,M,的后面再添加供差错检测用的,n,bit,冗余码一起发送。,在数据后面添加上的冗余码称为,帧检验序列,FCS (Frame Check Sequence),。,循环冗余检验,CRC,和帧检验序列,FCS,并不等同。,CRC,是一种常用的,检错方法,，而,FCS,是添加在数据后面的,冗余码,。,2.2,局域网与介质访问控制,决定局域网区别于其他类型网络的根本因素是,通信环境,而不是,地域范围,。,决定局域网的量化指标,v,V=t,d,/T,t,d,：,传播延迟,T,：,发送延迟,局域网就是,V1,的网络,，,v,值越小，其局域性越高。,2.2.1,局域网,例,2-1,：一个带宽为,100mbps,的网络上连接的计算机之间最远距离是,10km,，物理信道为同轴电缆或双绞线。已知一帧的最大长度是,1500,字节，时间算：（,1,）物理信号在该网络上从一个设备传递到另一个设备的最大传播延迟。（,2,）一个帧从被发送到被完全接受所需的时间。,解：电脉冲在同轴电缆或双绞线上传播速度按光速的,80%,估算。,（,1,）相距,10km,的计算机之间最大,传播延迟,=10km/,（,3*10,5,km/s*0.8,）,=41.7 us,(2),传输,1500,字节需要的时间（,发送延迟,）,=1500*8/(100*10,6,b/s)=120us,V=t,d,/T=0.34751,该网络是典型的局域网。,例,2-2:,设网络带宽为,10mbps,，计算机之间的最远距离是,1km,，其他条件相同，重算上题中的两个问题。,解：相距,1km,的计算机之间信号传播延迟,=1km/,（,3*10,5,km/s*0.8,）,=4.17us,发送时延,=1500*8b/(10*10,6,b/s)=1.2ms,这是一个典型的局域网,介质访问控制方法，也就是信道访问控制方法，可以简单地把它理解为如何控制网络节点,何时,能够发送数据、,如何,传输及,怎样,介质上接收数据的。,IEEE802,规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：,IEEE802,载波监听多路访问,/,冲突检测（,CSMA/CD,）、,IEEE802.5,令牌环（,Token Ring,）、,IEEE802.4,令牌总线（,Token Bus,）。,2.2.2,介质访问控制问题,2.2.2,介质访问控制问题,帧,B,帧,A,帧,C,T,t,1,-T,T,1,+T,V=2t,1,、随即冲突访问协议：,每个计算机在有数据就绪时便向信道发送帧，同时侦听自己发送的帧，如果检测错误，便判定发生了帧冲突，这是该计算机随即延迟一段时间后重发该帧并重复以上动作。,2.2.2,介质访问控制问题,时隙,ALOHA,协议：要求网络上所有计算机的时钟同步。,让计算机仅在特定的离散时刻发帧。,2,、,ALOHA,协议,ALOHA,协议和它的后继者,CSMA/CD,都是随机访问或者竞争,发送协议。随机访问意味着对任何站都无法预计其发送的时,刻；竞争发送是指所有发送的站自由竞争信道的使用权。,2.2.2,介质访问控制问题,3,、,CSMA/CD,（,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,载波监听多路访问,/,冲突检测,）,介质访问控制方法,“,多点接入,”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。,“,载波监听,”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。,总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,“,碰撞检测,”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。,当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。,当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。,所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,CSMA/CD,协议的工作过程为：由于整个系统不是采用集中式的控制方式，且总线上每个节点发送信息要自行控制，所以各个节点在发送信息之前，首先要侦听总线上是否有信息在媒介体上传送，若有，则其它各节点不发送信息，发免破坏传送，若侦听到总线上没有信息传送，则可以发送信息到总线上。当一个节点占用总线发送信息后，要一边发送一边检测总线，看是否有冲突产生。发送节点检测到冲突产生后，就立即停止发送信息，并发送强化冲突信号，然后采用某种算法等待一段时间后再重新侦听线路，准备重新发送该信息。,CSMA/CD,协议的工作流程图,5-6,所示，对,CSMA/CD,协议的工作过程通常可以概括为,先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发,。,2.2.2,介质访问控制问题,2.2.2,介质访问控制问题,3,、,CSMA/CD,（,载波监听多路访问,/,冲突检测,）,介质访问控制方法,以太网使用的,介质访问控制技术,冲突产生的原因可能是在同一时刻两个节点同时侦听到线路“空闲”，又同时发送信息所以产生了冲突，使数据发送失败。也可能是一个节点刚刚发送信息，还没有传送到目的节点，而另一个节点检测到线路空闲，将数据发送到总线上，导致冲突的产生。,2.2.2,介质访问控制问题,前面介绍的三种介质访问控制协议时发生冲突的概率是非零的，下面再介绍两种能完全避免冲突的协议。,4,、令牌环协议,在这种网络中，帧总是沿着特定方向传播。直到被自己回收为止。,令牌环网中每帧包括首部和数据两部分。首部中有特殊标记位：“令牌位”，令牌优先级和预定优先级。,5,、令牌,-,总线协议,令牌环协议与令牌,-,总线协议中的令牌作用一样，做了,信道的调度器,。,令牌,-,总线协议与网络上的计算机约定一个特定的令牌传递次序，所有计算机按照次序传递令牌。持令才能发数据。,数据被分为：同步数据和异步数据。,两个重要参数：令牌循环时间,ttrt,，同步数据的分配带宽,sa,2.3,以太网,本小节介绍的以太网是应用最广泛的局域网标准之一，大家应该注意，以太网并不是一种具体的网络视为一种技术规范，它定义了,lan,中采用的电缆类型和信号处理的方法。,以太网的发展,标准以太网：,CSMACD（带有碰撞检测的载波侦听多路访问）的访问控制,，,主要有两种传输介质，那就是双绞线和同轴电缆。所有的以太网都遵循,IEEE 802.3,标准,快速以太网：,100mbps,仍是基于CSMACD技术,千兆以太网,1. MAC,层的硬件地址,在局域网中，,硬件地址,又称为,物理地址,，或,MAC,地址,。,802,标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“,名字,”或,标识符,。,但鉴于大家都早已习惯了将这种,48,位的“名字”称为“地址”，所以我们也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,48,位的,MAC,地址,IEEE,的,注册管理机构,RA,负责向厂家分配地址字段的前三个字节,(,即高位,24,位,),。,地址字段中的后三个字节,(,即低位,24,位,),由厂家自行指派，称为,扩展标识符,，必须保证生产出的适配器没有重复地址。,一个地址块可以生成,2,24,个不同的地址。这种,48,位地址称为,MAC-48,，它的通用名称是,EUI-48,。,“,MAC,地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符,EUI-48,。,适配器检查,MAC,地址,适配器从网络上每收到一个,MAC,帧就首先用硬件检查,MAC,帧中的,MAC,地址,.,如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。,否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。,“发往本站的帧”包括以下三种帧：,单播,(,unicast,),帧（一对一）,广播,(broadcast),帧（一对全体）,多播,(multicast),帧（一对多）,如何获取本机的,MAC,？,在,Windows 2000/XP,中，依次单击“开始”“运行”输入“,CMD”,回车输入“,ipconfig,/all”,回车。即可看到,MAC,地址。或者是依次单击“开始”“运行”输入“,CMD”,回车输入“,getmac,”,回车，即可快速获取,MAC,地址了。,其物理地址是,48bit,（比特位）的整数，如：,44-45-53-54-00-00,以机器可读的方式存入主机接口中。,2. MAC,帧的格式,常用的以太网,MAC,帧格式有两种标准 ：,DIX Ethernet V2,标准,IEEE,的,802.3,标准,最常用的,MAC,帧是,以太网,V2,的格式,。现在流行的总线局域网的,MAC,子层的帧结构有两种标准：一种是,IEEE 802.3,标准；另一种是,DIX Ethernet V2,标准。如图,4-7,所示，两种帧结构都是由,5,个字段组成，但是个 别字段的意义存在差别。,总线局域网,MAC,子层的帧结构,前导码 包括了,7,个字节的二进制“,1”,、“,0”,间隔的代码，即,101010,共,56,位。当帧在媒体上传输时，接收方就能建立起同步，因为在使用曼彻斯特编码情况下，这种“,1”,、“,0”,间隔的传输波形为一个周期性方波。,帧首定界符（,SFD,） 它是长度为,1,个字节的,10101011,二进制序列，此码表示一帧实际开始，以使接收器对实际帧的第一位定位。也就是说实际帧是由余下的,DA+SA+L+LLCPDU+FCS,组成。,目的地址（,DA,） 它说明了帧企图发往目的站的地址，共,6,个字节，可以是单址（代表单个站）、多址（代表一组站）或全地址（代表局域网上的所有站）。当目的地址出现多址时，即代表该帧被一组站同时接收，称为“,组播,”（,Multicast,）。当目的地址出现全地址时，即表示该帧被局域网上所有站同时接收，称为“,广播,”（,Broadcast,），通常以,DA,的最高位来判断地址的类型，若最高位为“,0”,则表示单址，为“,1”,则表示多址或全地址，全地址时,DA,字段为全“,1”,代码。源地址（,SA,） 它说明发送该帧站的地址，与,DA,一样占,6,个字节。,帧检验序列（,FCS,） 它处在帧尾，共占,4,个字节，是,32,位冗余检验码（,CRC,），,以太网的组网技术,以太网的组网技术以太网（,Ethernet,）是由美国,Xerox,公司和,Stanford,大学联合开发并于,1975,年提出的，目的是为了把办公室工作站与昂贵的计算机资源连接起来，以便能从工作站上分享计算机资源和其他硬件设备。,1983,年,IEEE 802,委员会公布的,802.3,局域网络协议（,CSMA/CD,），基本上和,Ethernet,技术规范一致，于是，,Ethernet,技术规范成为世界上第一个局域网的工业标准。,Ethernet,的主要技术规范：,拓扑结构：总线型。,介质访问控制方式：,CSMA/CD,。,传输速率：,10Mbps,。,传输介质：同轴电缆（,50,）或双绞线。,最大工作站数：,1024,个。,最大传输距离：,2.5km,（采用中继器）。,报文长度：,64-1518,字节,（不计报文前的同步序位,).,3,、总线式以太网,带宽：,10mbp,，,网络上的计算机共享同一个物理信道：粗缆、细缆、双绞线,（以太网通常使用四种传输介质：粗缆、细缆、双绞线和光纤。使用粗缆的标准以太网（,10BASE-5,）已很少用，不再作主要介绍。）,竞争信道方式：,CSMA/CD,细缆以太网（,10BASE-2,）,10BASE-2,以太网采用,0.2,英寸,50,的同轴电缆作为传输介质，传输速率为,10Mbps,。,10BASE-2,使用网卡自带的内部收发器（,MAU,）和,BNC,接口，采用,T,形接头就可将两端的工作站通过细缆连接起来，组网开销低，连接方便。如图所示。,3,、总线式以太网,图,10BASE-T,以太网连接,2.,双绞线以太网（,10BASE-T,）,10BASE-T,以太网是使用非屏蔽双绞线电缆来连接的传输速率为,10mbps,的以太网。如图,4-9,所示。,3,、总线式以太网,4,、交换式以太网,100BASE-T,简介交换式以太网又称快速以太网，是在传统以太网基础上发展的，因此它不仅保持相同的以太帧格式，而且还保留了用于以太网的,CSMA/CD,介质访问控制方式。由于快速以太网的速率比普通以太网提高了,10,倍，所以快速以太网中的桥接器、路由器和交换机都与普通以太网不同，它们具有更快的速度和更小的延时。,带宽：,100mbp,，,网络上的计算机共享同一个物理信道（非屏蔽双绞线和光纤）,竞争信道方式：,CSMA/CD,核心设备：以太网交换机（,switch,）,拓扑结构为星型结构，网络节点间最大距离为,205,米,2.,快速以太网分类,快速以太网标准分为：,100BASE-TX,、,100BASE-FX,和,100BASE-T4,三个子类。如表,4-1,所示。,名称,线缆,最大距离,优点,100BASE-T4,双绞线,100m,可以使用,3,类双绞线,100BASE-TX,双绞线,100m,全双工、,5,类双绞线,100BASE-FX,光纤,200m,全双工、长距离,表,4-1,快速以太网标准,4,、交换式以太网,快速以太网接线规则,5,、千兆以太网,带宽：,1Gbp,，,传输介质主要为单模光纤、多模光纤以及非屏蔽双绞线。,竞争信道方式：,CSMA/CD,核心设备：含千兆端口的以太网交换机（,switch,）,千兆位以太网技术有两个标准：,IEEE 802.3z,和,IEEE 802.3ab,。,IEEE 802.3z,制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。,IEEE 802.3ab,制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。,1. IEEE 802.3z,（,1,）,1000Base-SX,1000Base-SX,只支持多模光纤，可以采用直径,62.5m,和,50m,的多模光纤，工作波长为,770nm-860nm,，传输距离为,550m,左右。,（,2,）,1000Base-LX,1000Base-LX,既可以使用多模光纤，也可以使用单模光纤。,多模光纤采用直径,62.5m,和,50m,，工作波长为,1270nm- 1355nm,，传输距离为,550m,左右。,单模光纤采用直径,9m,和,10m,，工作波长为,1270nm-860nm,，传输距离为,5km,左右,（,3,）,1000Base-CX,1000Base-CX,采用,150,屏蔽双绞线（,STP,），传输距离为,25m,。,6,、,IEEE 802.x,局域网（,LAN,）的结构主要有三种类型：以太网（,Ethernet,）、令牌环（,Token Ring,）、令牌总线,(Token Bus),以及作为这三种网的骨干网光纤分布数据接口（,FDDI,）。它们所遵循的都是,IEEE,（美国电子电气工程师协会）制定的以,802,开头的标准,目前共有,11,个与局域网有关的标准,它们分别是：,IEEE 802.1,通用网络概念及网桥等,IEEE 802.2,逻辑链路控制等,IEEE 802.3Ethernet,IEEE 802.4ARCnet,总线结构及访问方法,物理层规定,IEEE 802.5Token Ring,访问方法及物理层规定等,IEEE 802.6,城域网的访问方法及物理层规定,IEEE 802.7,宽带局域网,IEEE 802.8,光纤局域网,(FDDI),IEEE 802.9 ISDN,局域网,IEEE 802.10,网络的安全,IEEE 802.11Wi-Fi,家庭和办公室接入技术,影音娱乐应用广泛,IEEE 802.15.1,：蓝牙；,IEEE 802.15.2,：公用,ISM,频段内无线设备的共存问题；,IEEE 802.15.3a,：,UWB,标准；,IEEE 802.15.3b,：,WPAN,维护；,IEEE 802.15.4,：研究低于,200kbit/s,数据传输率的,WPAN,应用。,IEEE 802.15.4,：,Mesh Network,。,IEEE 802.16,：,Broadband Wireless MAN Standard -,WiMAX,无线城域网技术,最后一英里技术,IEEE 802.16,是为用户站点和核心网络（如：公共电话网和,Internet,）间提供通信路径而定义的无线服务。无线,MAN,技术也称之为,WiMAX,。这种无线宽带访问标准解决了城域网中“最后一英里”问题，因为,DSL,、电缆及其它带宽访问方法的解决方案要么行不通，要么成本太高。,IEEE 802.17,：弹性分组环,Resilient Packet Ring,广域网技术,大型园区网技术,2001,年,11,月成立，将吸收千兆以太网的经济性、,SDH,对延时和抖动的严格保障、可靠的时钟和,50ms,环保护和恢复等特性，提出,RPR,的标准。,IEEE 802.18,：无线管制,Radio Regulatory TAG,IEEE 802.19,：共存,Coexistence TAG,IEEE 802.20,：移动宽带无线接入,Mobile Broadband Wireless Access (MBWA),IEEE 802.21,：媒质无关切换,Media Independent Handoff,IEEE 802.x,7,、,PPP,协议,一、介绍,PPP,（,Point-to-Point Protocol,点到点协议）是为在,同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计,的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并,按照顺序,传递数据包。设计目的主要是用来通过,拨号或专线方式建立点对点连接,发送数据，使其成为,各种主机、网桥和路由器之间,简单连接的一种共通的解决方案。,现在全世界使用得最多的数据链路层协议是,点对点协议,PPP (Point-to-Point Protocol),。,用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用,PPP,协议。,用户拨号入网的示意图,路由器,调制解调器,调制解调器,因特网服务提供者,(ISP),用户家庭,拨号电话线,使用,TCP/IP,的,PPP,连接,使用,TCP/IP,的,客户进程,路由选择,进程,至,因,特,网,PC,机,PPP,协议,1992,年制订了,PPP,协议。经过,1993,年和,1994,年的修订，现在的,PPP,协议已成为因特网的正式标准,RFC 1661,。,PPP,协议有三个组成部分,一个将,IP,数据报封装到串行链路的方法。,链路控制协议,LCP (Link Control Protocol),。,网络控制协议,NCP (Network Control Protocol),。,PPP,协议的帧格式,PPP,的帧格式和,HDLC,的相似。,标志字段,F,仍为,0x7E,（符号“,0x”,表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的,7E,的二进制表示是,01111110,）。,地址字段,A,只置为,0xFF,。地址字段实际上并不起作用。,控制字段,C,通常置为,0x03,。,PPP,是面向字节的，所有的,PPP,帧的长度都是整数字节。,PPP,协议的帧格式,PPP,有一个,2,个字节的协议字段。,当协议字段为,0x0021,时，,PPP,帧的信息字段就是,IP,数据报。,若为,0xC021,则信息字段是,PPP,链路控制数据。,若为,0x8021,，则表示这是网络控制数据。,IP,数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过,1500,字节,PPP,帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,透明传输问题,当,PPP,用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和,HDLC,的做法一样）。,当,PPP,用在异步传输时，就使用一种特殊的,字符填充法,。,异步传输,:,同步传输：,字符填充法,将信息字段中出现的每一个,0x7E,字节转变成为,2,字节序列,(0x7D, 0x5E),。,若信息字段中出现一个,0x7D,的字节,则将其转变成为,2,字节序列,(0x7D, 0x5D),。,若信息字段中出现,ASCII,码的控制字符（即数值小于,0x20,的字符），则在该字符前面要加入一个,0x7D,字节，同时将该字符的编码加以改变。,不提供使用序号和确认的可靠传输,PPP,协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：,在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的,PPP,协议较为合理。,在因特网环境下，,PPP,的信息字段放入的数据是,IP,数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。,帧检验序列,FCS,字段可保证无差错接受。,PPP,协议的工作状态,当用户拨号接入,ISP,时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。,PC,机向路由器发送一系列的,LCP,分组（封装成多个,PPP,帧）。,这些分组及其响应选择一些,PPP,参数，和进行网络层配置，,NCP,给新接入的,PC,机分配一个临时的,IP,地址，使,PC,机成为因特网上的一个主机。,通信完毕时，,NCP,释放网络层连接，收回原来分配出去的,IP,地址。接着，,LCP,释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。,PPP,协议的状态图,建立,失败,失败,NCP,配置,鉴别成功,通信,结束,载波,停止,检测到,载波,双方协商,一些选项,鉴别,网络,打开,终止,静止,